[发明专利]基于线阵CCD的空间目标姿态测量系统及其测量方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及光电式几何量测量技术领域，具体涉及一种空间目标姿态测量方法。

(二)背景技术

实现对空间目标的姿态测量也就是对其姿态角(俯仰角α、偏航角β和滚动角γ)的测量，可以广泛应用于机器人研究、柔性制造系统、精密机械装配及含有内部姿态敏感装置飞行器的出厂检验等领域。目前主要采用两种方式：一种是基于激光干涉技术的姿态测量方式，代表产品为API的第三代激光跟踪仪，可以实现对运动目标高精度的姿态测量，但合作目标复杂，适用性差，不易于实现动态测量，而且价格昂贵；另一种是基于机器视觉的姿态测量方式，根据是否在被测物体上安装合作目标，或是采用摄像机的数量，姿态测量模型各不相同，但均采用基于面阵图像传感器的摄像机进行测量，多存在速度和精度的矛盾。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种技术、结构简单，成本低，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的很大，且易于满足实时测量要求的基于线阵CCD的空间目标姿态测量系统及其测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出的基于线阵CCD的空间目标姿态测量系统包括一路双点目标三维坐标重构子系统S3DCRDPT、一路点目标三维坐标重构子系统S3DCRPT及布置于被测物体上的且与相应坐标重构光学子系统中滤光片波长相对应的3个LED作为PCT的姿态测量装置和9路并行的含有CPLD单元、线阵CCD单元、抗串扰的高速模/数(A/D)转换单元、FIFO存储单元、分ARM单元的1DIUS控制板对应1个含有3个从ARM单元和1个主ARM单元的主控板的多CPU并行的流水线式的实时信息采集和处理的硬件结构、时钟和电源。

本发明的基于线阵CCD的空间目标姿态测量系统还包括这样一些技术特征：

1、所述双点目标三维坐标重构子系统S3DCRDPT是由三个双点目标一维成像子系统1DISDPT彼此光轴成一定交角且在三个等间距位置上固定组成；

2、所述双点目标一维成像子系统1DISDPT由一个分光棱镜及共轭位置的两个含有不同波长范围的选择性一维成像单元1DIUS组成；

3、所述选择性一维成像单元1DIUS由一个滤光片、一个柱面镜头及位于镜头焦平面上且与其轴心线垂直的一个线阵CCD构成；

4、所述点目标三维坐标重构子系统S3DCRPT是由三个选择性一维成像单元1DIUS彼此光轴成一定交角且在三个等间距位置上固定组成；

5、所述硬件结构为采用AT91RM9200为主ARM单元，扩展键盘、LCD单元、SD卡单元、USB单元、SDRAM单元、FLASH单元、JTAG单元、RS232外设和接口的专用嵌入式结构；

6、所述9路1DIUS控制板上的线阵CCD单元、A/D转换单元及FIFO存储单元均连接CPLD单元，CPLD单元连接主控板的主ARM单元。

本发明提出的基于线阵CCD的空间目标姿态测量方法为：首先采用一组由一个滤光片、一个柱面镜头及位于镜头焦平面上且与其轴心线垂直的一个线阵CCD构成的选择性一维成像单元1DIUS组合而成的空间目标姿态测量系统，即采用三个由一个分光棱镜及共轭位置的两个含有不同波长范围的选择性一维成像单元1DIUS组成的双点目标一维成像子系统1DISDPT彼此光轴成一定交角且在三个等间距位置上固定而成的双点目标三维坐标重构子系统S3DCRDPT和三个选择性一维成像单元1DIUS彼此光轴成一定交角且在三个等间距位置上固定而成的点目标三维坐标重构子系统S3DCRPT，分别实时重构按一定规则布置于被测物体上携带其姿态信息且分别与重构光学子系统中滤光片波长范围一一对应的两个和一个点合作目标(PCT)的三维坐标，再经过实时空间解算，确定被测物体姿态角，它依次含有以下步骤：

(1)标定1DIUS的7个l参数；

(2)布置PCT；

(3)1DIUS分别实时捕捉被测物体上与其相对应的PCT的像坐标；

(4)采用7系数直接变换(DLT)法重构各PCT的空间三维坐标；

(5)采用空间解算求解被测物体的姿态角(俯仰角α、偏航角β和滚动角γ)；

(6)判断测量是否结束：若否，则返回步骤(3)；若是，则结束测量。

本发明的基于线阵CCD的空间目标姿态测量方法还包括这样一些技术特征：

1、所述的标定1DIUS的7个l参数依次含有如下步骤：

(1)在含有滑动标尺座的平面校准模板上均匀布置x、y坐标已知，且与PCT相同的3种标志点，在纵深方向调解滑动标尺给出z坐标，实现测量空间内标志点的均匀布置；